隧道二次衬砌混凝土配合比设计研究

■高建平

(福建省交设工程试验检测有限公司，福州 350008)

1 引言

近年来， 随着我国经济建设的蓬勃发展及中西部地区大建设的进一步落实， 使得交通基础设施建设特别是高速公路中的隧道工程得到迅速发展[1]。 隧道二次衬砌作为其重要结构，在长期服役期间，由于自身材料老化、疲劳效应、温度效应、荷载效应等不利因素，降低了结构承载力，使隧道结构产生了安全隐患，缩短隧道服役年限，威胁生命和财产安全。 混凝土作为二次衬砌浇筑的重要原料， 其配合比及工作性能的合理性又直接关乎二次衬砌的质量[2]，因此对隧道二次衬砌进行混凝土配合比优化设计，平衡混凝土强度、改善其流动性及抗渗性， 以满足隧道二次衬砌混凝土施工要求尤为必要。

二次衬砌混凝土配合比优化设计需达到以下基本要求，能满足混凝土工作性能、材料强度和耐久性；采用通用设备易于捣实浇筑，具有易修饰性，离析和泌水小；强度和耐久性，满足规范要求的最小抗压强度，满足设计要求的抗渗、抗冻及耐腐蚀性。同时要求混凝土各组成部分的用量比例经济合理，降低混凝土造价[3]。

为此本文结合减水剂的性能， 在混凝土配合比设计时，分别选用0.38、0.43 及0.48 三种水胶比，粉煤灰掺量为16 %。分别利用对比试验研究三种水胶比在不同掺量的减水剂下，对混凝土工作性能、材料强度及抗渗性能的影响。

2 二次衬砌混凝土配合比试验研究

2.1 试验原材料

(1)胶凝材料

水泥选用建福牌P.O42.5 普通硅酸盐水泥， 碱含量0.56%，氯离子含量0.02%；3d 抗折强度：5.8MPa；3d 抗压强度：28.8MPa；28d 抗折强度7.8MPa；28d 抗压强度51.9 MPa； 采用Ⅰ级粉煤灰， 材料性能指标满足相应规范要求。

(2)碎石

采用闽清梅溪碎石场的碎石； 采用31.5～19mm、19～9.5mm 及9.5～5mm 三种级配， 掺配比例：31.5～19mm∶19～9.5mm∶9.5～5mm=20∶70∶10；表观密度2704kg/m3；堆积密度1538kg/m3：含泥量0.7%；针片状含量7.3%；压碎值9.2%。

(3)砂子

采用闽清梅溪砂石场的砂子，细度模数为2.95，含泥量1.1%；堆积密度为1542kg/m3；表观密度为2662kg/m3。

(4)外加剂

外加剂应与水泥之间具有良好的适应性，减水率高，坍落度损失小。据此，采用福州兴大建材有限公司聚羧酸高性能减水剂，减水率为26%。

2.2 试验配合比设计步骤

在二次衬砌混凝土配合比设计时， 分别选用0.38、0.43 及0.48 三种水胶比，粉煤灰掺量为16%，并在三种水胶比情况下，分别掺入1.15%、1.2%及1.25%的减水剂，将水胶比和减水剂作为试验的两个变量因素， 研究其对混凝土工作性能、材料强度及抗渗性能的影响。本文规定水胶比0.38 时，浇筑的试件编号为A1～A3；水胶比0.43，浇筑试件编号为B1～B3； 水胶比0.48， 浇筑试件编号为C1～C3。

假定二次衬砌为C30 P8 抗渗混凝土，设计坍落度为140～180mm。将水胶比0.43 及掺入1.2%减水剂的混凝土配合比作为基准配合比。通过混凝土施工要求的坍落度、设计要求的强度和强度保证率来计算确定混凝土水胶比、砂率、单位用水量、砂石用量等参数[4]，其设计步骤如下：

(1)配制强度

fcu，0≥fcu，k+1.645σ，其中σ 取5.0

fcu，0≥30+1.645×5.0=38.2MPa

(2)确定水胶比

W/B=αarffce/(fcu0+αaαbfb)； 其中αa取0.53；αb取0.20；rf取0.85。

W/B=0.53×0.85×1.16×42.5/(38.2+0.53×0.2×0.85×1.16×42.5)=0.52

根据 《公路桥涵施工技术规范》 中的要求和施工环境、气候的影响，混凝土和抗渗等级在P8～P12 之间的抗渗混凝土最大水灰比不能大于0.55， 因此本文选取水胶比W/B=0.43。

(3)单位用水量

根据《混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)中对混凝土的要求，查表得单位用水量为225kg/m3，减水剂的减水率为26%，则单位用水量mw0=225×(1-26%)=166kg/m3。

(4)确定水泥用量

根据水胶比W/B=0.43， 单位用水量为166kg/m3，则胶凝材料B=166/0.43=386kg/m3， 粉煤灰掺量为16 %，则粉煤灰F=386×0.16=62kg/m3, 那么水泥含量=386-62=324kg/m3。基准减水剂掺入量为胶凝材料的1.2%，则减水剂掺入量J=386×1.2%=4.64kg/m3。

(5)选取砂率

根据《混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)表5.4.2的要求，二次衬砌混凝土需满足泵送要求，因而本期选取砂率βs为41%。

(6)确定粗、细骨料的材料用量

假定混凝土容重为2400kg/m3， 由mc0+mf0+mg0+ ms0+mw0=mcp得mg0+ms0=1848

式中：mc0为混凝土的含量，mf0为粉煤灰的含量，mg0为碎石的含量，ms0为砂子的含量，mw0为水的含量，mcp为混凝土容重。

由砂率βs=ms0/(mg0+ms0)×100%

计算得ms0=1848×41%=758kg/m3

mg0=1848-758=1090kg/m3

本文中碎石采用三种级配，掺配比例如下：

31.5～19mm∶19～9.5mm∶9.5～5mm=20∶70∶10 则31.5～19mm∶19～9.5mm∶9.5～5mm=218∶763∶109

计算所有材料用量以后完成配合比设计， 即可得到基准配合比各材料用量之比为

mc0∶mf0∶mg0∶ms0∶mw0∶mj0=324∶62∶1090∶758∶166∶4.64

对完成基准配合比先进行试拌，其坍落度、粘聚性及泌水性均符合规范要求。

(7) 在基准配合比的基础上，根据《混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)的要求，增加或减少水胶比0.05%，增加或减少砂率1%。 同时增加或减少减水剂0.05%。 按照上述设计步骤，在保持用水量不变的情况下，计算出其它组配合比设计的混凝土材料用料表，如表1～3 所示。

表1 水胶比为0.38 时不同掺量减水剂的混凝土材料用料表

表2 水胶比为0.43 时不同掺量减水剂的混凝土材料用料表

表3 水胶比为0.48 时不同掺量减水剂的混凝土材料用料表

3 试验结果与分析

测定混凝土拌合物的坍落度(取料后5min 内测定)、经时坍落度损失值(1h)及压力泌水率(10s)，以评价可泵性能[4]；采用150mm×150mm×150mm 标准立方体抗压试件，标准养护至7d、28d 测定其抗压强度[5]；混凝土抗渗等级试件采用标准抗渗圆台试件， 以每组6 个试件中4 个未发现渗水现象时的最大水压力表示混凝土的抗渗等级[6]。其测定坍落度、7 d 及28d 的抗压强度和混凝土的抗渗等级具体结果试验结果如表4、表5 及表6 所示。

表4 水胶比0.38 时不同量减水剂混凝土坍落度、强度及抗渗性

表5 水胶比0.43 时不同量减水剂混凝土坍落度、强度及抗渗性

表6 水胶比0.48 时不同量减水剂混凝土坍落度、强度及抗渗性

3.1 不同掺量的减水剂对混凝土工作性能的影响

不同掺量的减水剂对混凝土工作性能的影响如图1所示。 从图1 可知，在水灰比不变的情况下，掺入的减水剂对混凝土的坍落度均略微有所提高， 但在规范允许掺入减水剂量的情况下，添加越多的减水剂，对混凝土的坍落度影响越大；在掺入减水剂量不变的情况下，水胶比越大，混凝土的坍落度越大。

图1 不同掺量的减水剂对混凝土工作性能的影响

3.2 不同掺量的减水剂对混凝土强度的影响

不同掺量的减水剂对28d 及7d 混凝土强度的影响如图2 及图3 所示。

图2 不同掺量的减水剂对7d 混凝土强度的影响

图3 不同掺量的减水剂对28d 混凝土强度的影响

从图2 及图3 可知，掺加减水剂后，混凝土的7d 及28 d 强度显著提高，随着水胶比的增大，混凝土强度逐渐降低。 这主要是因为聚羧酸高性能减水剂含有的三乙醇胺能与水泥颗粒发生反应，生成钙矾石，加速水泥的水化反应，使混凝土中内部孔隙体积明显减少，混凝土更为致密，从而使混凝土的抗压强度显著提高。

从图2 及图3 可知， 隧道二次衬砌配合比参数按强度来控制时，要满足浇筑的强度要求，每方混凝土消耗的用水量和水胶比均较高， 这样配制出的混凝土易出现干缩开裂、离析、泌水等质量问题。

3.3 不同掺量的减水剂对混凝土抗渗性能的影响

不同掺量的减水剂对混凝土抗渗性能的影响如图4所示。 图4 可知，当水胶比不变的情况下，掺入的减水剂量越多，最大量不超过规范规定的范围时，混凝抗渗等级呈递增趋势；随着水胶比的增大，混凝抗渗等级呈递减趋势，且水胶比为0.38 的混凝抗渗等级远远大于0.48 水胶比的混凝土； 说明减水剂对对混凝土的抗渗性能的影响程度远远小于水胶比的影响。因此在实际工程应用中，为了最大化地控制工程成本， 建议通过降低水灰比来控制混凝土抗渗性能。

4 结论

本文结合减水剂的性能，在混凝土配合比设计时，分别选用0.38、0.43 及0.48 三种水胶比， 粉煤灰掺量为16%。 分别利用对比试验研究三种水胶比在不同掺量的减水剂下，对混凝土工作性能、材料强度及抗渗性能的影响。 得到结论如下：

图4 不同掺量的减水剂对混凝土抗渗性能的影响

(1)在水胶比不变的情况下，掺入不同量的减水剂均略微提高了混凝土的坍落度， 同时显著提高了混凝土材料强度，对混凝土抗渗性能影响较小。

(2)在掺入的减水剂量不变的情况下，水胶比越大其混凝土强度越低，但是混凝土的坍落度越好；水胶比参数对混凝土抗渗性能的影响程度远远大于减水剂。

要满足隧道二次衬砌混凝土低强度、 高流动性及抗渗性要求，可以通过掺入减水剂降低水胶比，提高其抗渗性的要求，然后通过掺入粉煤灰等矿物掺和料，降低其强度，提供其流动性，平衡混凝土强度、改善其流动性及抗渗性，以满足隧道二次衬砌施工要求。